《电子技术基础与应用》项目2

基本放大电路项目2放大电路是电子电路中最基本的组成部分，它在生活中的应用随处可见，电视机机顶盒、收音机、手机、路由器等电器的内部均用到了放大电路。放大电路利用三极管的电流放大作用，可以把微弱的输入信号放大成振幅/功率较大的输出信号。本项目主要介绍几种基本放大电路及负反馈放大电路的基本知识，同时对功率放大电路进行简要介绍。项目导读项目导读学习目标知识目标 能够正确调试基本放大电路。 能够正确调试负反馈放大电路。 能够正确测试集成功率放大器的性能指标。技能目标 弘扬爱国奋斗精神，树立建功立业信念。 厚植民族自豪感和科技自信心。素质目标

掌握放大电路的结构和分类。 掌握共发射极放大电路、分压偏置放大电路、共集电极放大电路结构和多级放大电路分析方法。 掌握反馈的分类和负反馈放大电路的基本类型。 熟悉功率放大电路的工作原理和功率放大器的性能参数。目录任务2.1

认识基本放大电路任务2.2

认识负反馈放大电路任务2.3

认识功率放大电路任务2.1认识基本放大电路任务引入在科学实验和生产应用中，从传感器获取的信号通常较为微弱，只有将其放大才能得到可用的输出信号，这就需要通过放大电路来实现。而为了保证放大电路正常工作，通常需要将放大电路设置在最佳静态工作点。请选择合适的工具和器材，连接如下图所示电路，将其调至最佳静态工作点，并测量其电压放大倍数。任务引入本任务的知识与技能要求如下表所示。任务内容认识基本放大电路学习程度识记理解应用学习任务放大电路概述●

共发射极放大电路

●

分压偏置放大电路和共集电极放大电路

●

多级放大电路●实训任务调试基本放大电路

●自我勉励学习目标任务工单学生领取任务工单（详见教材），并完成工单内容。1．知识准备3．任务实施2．工具和器材准备4．任务评价放大电路主要由三极管（或场效应管）、电阻、电容和直流电源等构成，它用来将微弱的电信号（非电信号可以通过传感器转变成电信号）放大成振幅足够大且与原电信号变化规律一致的信号，以便人们测量或供负载使用，如下图所示。不同放大电路的应用场合及作用虽然不尽相同，但其信号放大的过程是相同的。2.1.1放大电路概述相关知识相关知识点拨放大电路将能量较小的输入信号放大成能量较大的输出信号，增加的能量是由直流电源通过放大电路转换而来的，而不是放大电路本身产生的。下面主要介绍共发射极放大电路、分压偏置放大电路、共集电极放大电路和多级放大电路等基本放大电路的相关知识。2.1.2共发射极放大电路相关知识1．共发射极放大电路的结构当三极管应用于放大电路时，通常将其一对端子作为输入端，另一对端子作为输出端。这样，三极管便有一个端子是输入电路和输出电路的公共端。如果放大电路的输入信号加到基极和发射之间，而输出信号从集电极和发射极间输出，则该放大电路称为共发射极放大电路，如右图所示。共发射极放大电路是最基本的放大电路，很多复杂电路都是由它组合或演变而成的。共发射极放大电路中各器件的作用和性能如表2-5（详见教材）所示。相关知识静态分析的目的主要是通过放大电路的静态工作点，来确定三极管是否处在其伏安特性曲线的合适位置。共发射极放大电路处于静态时，三极管基极电流、集电极电流和集电极-发射极电压等直流分量在三极管伏安特性曲线上可确定为一个点，这个点称为静态工作点，用Q表示。由此可见，静态工作点是由静态电流流经的通路（即直流通路）决定的。对共发射极放大电路进行静态分析便是对其直流通路进行分析。在绘制直流通路时，需要将电容看作开路，将电感看作短路，将信号源看作短路（需要保留其内阻）。共发射极放大电路的直流通路如下图所示。2．共发射极放大电路的静态分析相关知识1）近似估算法由图2-5可得（2-1）由于三极管处于放大状态时，其发射结正偏，基本不变（硅三极管约为0.7V，锗三极管约为0.3V）且一般比小得多，因此式（2-1）可变换为（2-2）根据三极管的电流放大作用，可得（2-3）（2-4）在输入特性曲线上确定Q点的方法为：由直流通路求出静态电流，在输入特性曲线上找到与对应的点，该点即为输入回路中的Q点，如右图所示。相关知识2）图解分析法利用三极管的输入、输出特性曲线，通过作图对放大电路的性能指标进行分析的方法称为图解分析法。在共发射极放大电路的静态分析中，图解分析法主要用来确定其静态工作点Q。相关知识在输出特性曲线上确定Q点的方法为：在坐标系内绘制由方程所决定的直线，该直线由直流通路得出，且与集电极负载电阻有关，因此称为直流负载线；直流负载线与三极管输出特性曲线的交点即为输出回路中的Q点，如右图所示。

的值不同，静态工作点在直流负载线上的位置也就不同。三极管工作状态的要求不同，所需要的静态工作点也不同，这可以通过改变的大小来实现。因此，很重要，通常将其称为偏置电流，简称偏流。偏流的大小通常可通过改变基极偏置电阻的阻值来调整。相关知识动态是指放大电路在有交流输入信号时的工作状态。此时，放大电路中的电流和电压都含有直流分量和交流分量。动态分析的目的是确定放大电路对信号的电压放大倍数，并分析放大电路的输入电阻和输出电阻等。动态分析的基本方法有图解分析法和微变等效电路分析法两种。1）图解分析法如下图所示为共发射极放大电路有交流信号输入时的图解分析，从中可以得出以下结论。3．共发射极放大电路的动态分析相关知识相关知识（1）交流信号的传输过程为（即

）

→

→

→

（即

）（2）电压和电流都含有直流分量和交流分量，即由于电容

具有隔直流的作用，

的直流分量不能到达输出端，因此只有交流分量

能通过

而成为输出电压。（3）输入电压和输出电压的相位相反，即电路具有倒相作用；同时，输出电压比输入电压大得多，表明放大电路具有电压放大功能。相关知识此外，对放大电路的一个基本要求就是输出信号尽可能不失真。失真是指信号在传输过程中与原有信号相比发生偏差。在实际电路中，若因静态工作点设置不恰当或输入信号振幅过大等，而使放大电路的工作范围超出了三极管伏安特性曲线的线性范围，则会造成输出信号失真，这种失真称为非线性失真。非线性失真一般包括截止失真和饱和失真，如下图所示。相关知识在上图中，若静态工作点Q设置得过低，则集电极电流太小，三极管的工作状态接近截止区。此时，在输入电压的负半周三极管进入截止区工作，电流和电压不能被正常放大，表现为

负半周和输出电压正半周的顶部被削平，从而出现失真，这种失真称为截止失真。通过减小基极偏置电阻来增大

，可将静态工作点适当上移以消除截止失真。在上图中，若静态工作点Q设置得过高，则集电极电流太大，三极管的工作状态接近饱和区。此时，在输入电压的正半周三极管进入饱和区工作，电流和电压不能被正常放大，表现为

正半周和输出电压负半周的顶部被削平，从而出现失真，这种失真称为饱和失真。通过增大基极偏置电阻来减小

，可将静态工作点适当下移以消除饱和失真。相关知识2）微变等效电路分析法放大电路的微变等效电路是把非线性元件三极管线性化，将其等效为一个线性元件，从而把以三极管为核心的放大电路等效为线性电路，以便用分析线性电路的方法来分析计算放大电路。三极管线性化的条件是三极管必须工作在小信号微变量情况下，即三极管必须工作在伏安特性曲线上的一个较小范围内。只有满足这一条件，才能把静态工作点附近小范围内的曲线看作直线。因此，微变等效电路分析法仅适用于输入信号是低频小信号的情况。（1）三极管的微变等效电路。如图右图所示为三极管的输入特性曲线，它是非线性的。当输入信号很小时，在静态工作点Q附近的曲线可看作直线。当为常数时，有（2-5）相关知识称为三极管的输入电阻，它表明了三极管的交流输入特性。在小信号微变量情况下，它是常数，一般为几百欧到几千欧，对交流信号而言是一个动态等效电阻。因此，三极管的基极和发射极之间可用等效代替。低频小功率三极管的输入电阻常用下式估算，即（2-6）其中，的单位为毫安（mA）。如右图所示为三极管的输出特性曲线。在放大区，该特性曲线为一组近似与横轴平行的直线。当为常数时，有

（2-7）相关知识在小信号微变量作用下，为一常数。因此，三极管的输出端可用一等效电流源代替。该等效电流源因其电流受电流控制而称为受控源。为了区别于独立电源，受控源用菱形符号表示。如下图所示为三极管的微变等效电路。相关知识（2）共发射极放大电路的微变等效电路。在分析放大电路时，一般用交流通路来研究放大电路的动态性能。交流通路是指交流电流流经的通路。分析交流通路时，耦合电容可看作短路，直流电源在其内阻忽略不计时也可看作短路。由三极管的微变等效电路和放大电路的交流通路即可得出共发射极放大电路的微变等效电路。相关知识（3）共发射极放大电路的电压放大倍数。共发射极放大电路的电压放大倍数是输出电压与输入电压的比值，即（2-8）

因此，式（2-8）可换算成（2-9）式中：

——交流等效负载电阻，负号表示输入电压与输出电压的相位相反。当共发射极放大电路开路时，有（2-10）可见，共发射极放大电路开路时的电压放大倍数比接负载电阻时的大。负载电阻越大，电压放大倍数越大。相关知识（4）共发射极放大电路的输入电阻。共发射极放大电路的输入电阻是其输入端的等效电阻，为输入电压与输入电流的比值，即

（2-11）由上图可知（2-12）在实际中，的阻值比大得多。因此，共发射极放大电路的输入电阻基本等于三极管的输入电阻，该电阻很小。相关知识（5）共发射极放大电路的输出电阻。共发射极放大电路的输出电阻是其输出端的等效电阻。实际求取时，将共发射极放大电路微变等效电路中的输入信号源短路（即），输出端负载开路，此时，，电流源相当于开路，则有（2-13）由于一般为几千欧，因此共发射极放大电路的输出电阻通常较大。2.1.3分压偏置放大电路相关知识1．分压偏置放大电路的静态分析分压偏置放大电路如下图所示。它与共发射极放大电路的区别在于：三极管VT的基极连接有两个基极偏置电阻，对直流电源的电压进行分压，从而使基极有了一定的电位；发射极串联了电阻和电容。相关知识将所有电容全部断开，可得到分压偏置放大电路的直流通路，如右图所示。由右图可知。通常很小，若，则基极的电压为（2-14）由式（2-14）可知，与三极管的参数无关，因此的变化不受温度变化的影响。相关知识此外，由上图还可知，，若使，则（2-15）由式（2-15）可知，与三极管的参数无关，因此的变化也不受温度变化的影响。综上所述，只要分压偏置放大电路满足和两个条件，则其静态工作电压和静态工作电流将主要由、、和决定，与三极管的参数几乎无关，它们不受温度变化的影响。对采用硅三极管的分压偏置放大电路而言，在估算时，取、。相关知识如右图所示为分压偏置放大电路的交流通路，它与共发射极放大电路的交流通路相似，它们的等效电路也相似。其中，，输入电阻、输出电阻和电压放大倍数的计算公式与共发射极放大电路的相同。2．分压偏置放大电路的动态分析2.1.4共集电极放大电路相关知识共集电极放大电路如右图所示。其中，交流信号从基极输入，从发射极输出，因此基于该电路制成的器件又称为射极输出器。1．共集电极放大电路的静态分析如下图所示为共集电极放大电路的直流通路。由该图可知

即

相关知识由此可求得共集电极放大电路静态工作点的电流为（2-16）（2-17）共集电极放大电路静态工作点的电压为（2-18）相关知识2．共集电极放大电路的动态分析共集电极放大电路的交流通路如图及其微变等效电路如下图所示，据此可分析其动态性能指标。相关知识1）电压放大倍数由上图可得

（2-19）因，故，两者振幅相近，相位相同，因此|Au|小于1且接近于1。相关知识2）输入电阻由上图可得共集电极放大电路的输入电阻为（2-20）共集电极放大电路的输入电阻比较大，可达几十千欧到几百千欧。3）输出电阻共集电极放大电路的输出电阻为（此处不做推导）（2-21）其中，。共集电极放大电路的输出电阻很小，一般只有几欧到几十欧。相关知识综上所述，共集电极放大电路具有以下特点。（1）电压放大倍数小于1且接近于1，输出信号与输入信号同相，具有电压跟随作用。（2）输入电阻大，有利于减小共集电极放大电路对信号电流的分流。（3）输出电阻小，具有较强的带负载能力。（4）具有电流放大和功率放大作用。2.1.5多级放大电路相关知识上述放大电路都是单级放大电路，它们的放大倍数有限。在实际应用时，通常需要将多个单级放大电路连接起来，构成多级放大电路，对输入信号进行连续放大，以满足需要。多级放大电路的结构如下图所示。其中，与信号源相连接的第一级放大电路称为输入级，与负载相连接的末级放大电路称为输出级，输出级与输入级之间的放大电路称为中间级。相关知识（1）输入级主要完成与信号源的衔接并对输入信号进行放大。为使输入信号尽量不受信号源内阻的影响，输入级应具有较大的输入电阻，通常采用大输入电阻的放大电路，如共集电极放大电路等。（2）中间级用于将微弱的输入电压放大到足够的振幅，即进行电压放大。（3）输出级用于对信号进行功率放大，以满足输出负载所需要的功率，并与负载的阻抗相匹配。由上图可以看出，多级放大电路各级是串连的，前一级的输出信号是后一级的输入信号，后一级的输入电阻是前一级的负载。因此，多级放大电路的电压放大倍数等于各级电压放大倍数的乘积，即（2-22）相关知识多级放大电路的输入电阻等于从第一级放大电路的输入端所对应的两端电路的等效电阻，也就是第一级的输入电阻，即（2-23）多级放大电路的输出电阻等于从最后一级放大电路的负载两端（不含负载）所对应的两端电路的等效电阻，也就是最后一级的输出电阻，即（2-24）半导体的先驱者——物理大师黄昆半导体学科随着半导体产业和信息产业的发展，其战略意义日益凸显。黄昆先生正是中国半导体学科的奠基人，是中国半导体学界的一代宗师。黄昆，浙江嘉兴人，中国科学院院士、世界著名物理学家。20世纪40年代末，黄昆在欧洲物理学界声名鹊起，而他却更关注如何回国，以及能为祖国做什么。他曾设想在中国“组织一个真正独立的物理中心”，……详见教材砥节砺行任务2.2认识负反馈放大电路任务引入为了改善放大电路的工作性能，提高其输出信号的质量，通常在放大电路中引入反馈，将输出信号的一部分或全部以一定的方式回送到放大电路的输入端，以对放大电路的输入量进行调整。负反馈放大电路就是引入了交流负反馈的放大电路。本任务要求学生正确选择工具和器材，连接如下图所示的电路，判断该电路负反馈的类型，测量该电路的输入电阻和输出电阻，并用示波器观察输出电压的波形。任务引入本任务的知识与技能要求如下表所示。任务内容认识负反馈放大电路学习程度识记理解应用学习任务放大电路中的反馈

●

负反馈放大电路的基本类型

●

实训任务调试负反馈放大电路

●自我勉励学习目标任务工单学生领取任务工单（详见教材），并完成工单内容。1．知识准备3．任务实施2．工具和器材准备4．任务评价2.2.1放大电路中的反馈相关知识1．反馈的基本概念反馈是指将放大电路输出端的信号，通过一定的电路形式作用到放大电路的输入端，对放大电路的输入量进行调整的措施。放大电路不加反馈电路时的状态称为开环状态，引入反馈后，整个系统变为闭环状态。反馈放大电路由基本放大电路和反馈电路构成，其结构如右图所示。相关知识设反馈放大电路的开环电压放大倍数为，闭环电压放大倍数为，反馈系数为，则有

经整理，可得（2-25）在式（2-25）中，（）与闭环电压放大倍数密切相关，因此它是衡量反馈程度的重要指标，称为反馈深度。引入反馈后，反馈放大电路可根据输出量的变化控制净输入量的大小，从而自动调节信号的放大过程，以改善放大电路的工作性能。相关知识2．反馈的分类反馈有多种分类方法：根据极性的不同，反馈可分为正反馈和负反馈两种；根据信号成分的不同，反馈可分为直流反馈和交流反馈两种；根据反馈量与输出量关系的不同，反馈可分为电压反馈和电流反馈两种；根据反馈量与输入量关系的不同，反馈可分为串联反馈和并联反馈两种。相关知识1）正反馈与负反馈根据反馈对输出量的影响可以区分反馈的极性。反馈使输出量的变化增大，即使净输入量增大，则称之为正反馈；反馈使输出量的变化减小，即使净输入量减小，则称之为负反馈。正反馈多用于振荡电路和脉冲电路，而负反馈多用于改善放大电路的性能。2）直流反馈与交流反馈反馈信号中只有直流分量的反馈称为直流反馈，直流反馈可分为直流正反馈和直流负反馈两种，其中直流负反馈多用于稳定静态工作点，不常单独使用。反馈信号中只有交流分量的反馈称为交流反馈，交流反馈可分为交流正反馈和交流负反馈两种，其中交流负反馈多用于改善放大电路的性能。实际中，反馈信号中既有直流分量又有交流分量，即同时存在交、直流反馈。3）电压反馈与电流反馈在反馈放大电路中，如果反馈量取自基本放大电路输出端的电压，则该反馈称为电压反馈；如果反馈量取自基本放大电路输出端的电流，则该反馈称为电流反馈。4）串联反馈与并联反馈在反馈放大电路中，如果反馈量与输入量在输入回路中串联，两者以电压方式相叠加，则该反馈称为串联反馈；如果反馈量与输入量在输入回路中并联，两者以电流方式相叠加，则该反馈称为并联反馈。正反馈与负反馈可采用瞬时极性法来判别，其具体判别方法如下。先假定输入量在某一瞬时对地的极性，然后据此逐级判断电路中各相关点电流的流向和电位的极性，从而得到输出量的极性，最后根据输出量的极性判断出反馈量的极性。若反馈量使基本放大电路的净输入量增大，则引入的反馈是正反馈；若反馈量使基本放大电路的净输入量减小，则引入的反馈为负反馈。2.2.2负反馈放大电路的基本类型相关知识引入交流负反馈的放大电路通常称为负反馈放大电路，它有四种基本类型，分别为电压串联负反馈放大电路、电压并联负反馈放大电路、电流串联负反馈放大电路和电流并联负反馈放大电路，其原理框图如下图所示。相关知识1．电压串联负反馈放大电路电压串联负反馈放大电路的输入端和反馈电路的输出端相串联，反馈量取自输出电压，反馈量与输入量以电压的方式相叠加，即

。2．电压并联负反馈放大电路电压并联负反馈放大电路的输入端和反馈电路的输出端相并联，反馈量取自输出电压，反馈量与输入量以电流的方式相叠加，即

。3．电流串联负反馈放大电路电流串联负反馈放大电路的输入端和反馈电路的输出端相串联，反馈量取自输出电流，反馈量与输入量以电压的方式相叠加，即

。4．电流并联负反馈放大电路电流并联负反馈放大电路的输入端和反馈电路的输出端相并联，反馈量取自输出电压，反馈量与输入量以电流的方式相叠加，即

。任务2.3认识功率放大电路任务引入在很多电子装置中，需要放大电路的输出级能够输出一定的功率，以驱动某种负载，如驱动仪表的指针偏转、驱动扬声器发声等，这种能够向负载提供足够功率的放大电路称为功率放大电路，简称功放，而基于功率放大电路制成的集成电路则称为集成功率放大器。本任务要求学生正确选择工具和器材，连接如下图所示的集成功率放大器测试电路，并测试该集成功率放大器的最大输出功率和转换效率。任务引入本任务的知识与技能要求如下表所示。任务内容认识功率放大电路学习程度识记理解应用学习任务功率放大器的基本知识

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OCL电路的工作原理和性能参数

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OTL电路的工作原理

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实训任务测试集成功率放大器

●自我勉励学习目标任务工单学生领取任务工单（详见教材），并完成工单内容。1．知识准备3．任务实施2．工具和器材准备4．任务评价功率放大电路应满足以下要求。2.3.1功率放大电路概述相关知识1．功率放大电路应满足的要求（1）具有足够大的输出功率。为了使功率放大电路获得较大的输出功率，往往要求其中的三极管工作在极限状态。因此，在使用功率放大电路时，应考虑三极管的极限参数。（2）具有较高的转换效率。功率放大电路的工作电压高，工作电流大，因此功率放大电路应具有较高的转换效率，以减少电能的损耗。（3）输出信号的非线性失真要小。由于功率放大电路输出电压和输出电流的振幅都很大，其中的三极管工作范围较大，输出信号将不可避免地产生非线性失真，而且功率越大，非线性失真越严重。一般情况下，测量系统和电声设备中的功率放大电路要求非线性失真要尽量小，工业控制系统中的功率放大电路则以输出大功率为目的，对非线性失真要求不高。根据三极管工作状态的不同，功率放大电路可分为甲类、乙类和甲乙类三种，其静态工作点如下图所示。可以看出，甲类功率放大电路的转换效率较低，而乙类和甲乙类功率放大电路虽然转换效率较高，但其输出信号的非线性失真比较严重。相关知识2．不同工作状态的功率放大电路甲类功率放大电路的静态工作点位于放大区，其静态功耗大，转换效率低，但失真较小；乙类功率放大电路的静态工作点位于截止区，其静态功耗接近于零，转换效率高，但存在严重的失真；甲乙类功率放大电路的静态工作点接近截止区，它的失真现象较乙类功率放大电路轻，且静态功耗较甲类功率放大电路小，转换效率高。OCL电路属于乙类放大电路，其工作原理如下图所示。其中，OCL电路正负电源的电压绝对值相同；三极管是参数特性对称一致的NPN型三极管和PNP型三极管，它们的基极连接在一起作为输入端，发射极也连接在一起直接接负载。2.3.2OCL电路相关知识1．